计程仪及回声测深仪

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1、第三节 回声测深仪,（EC SNDE）,回声测深仪,测深仪是用于航海测量水深的仪器，是一种在航海和航道测绘 上广泛使用的航海仪器。 船上最早的“测深仪”是手用测深锤，即水砣。 十九世纪末期，使用“开尔文”式测深仪，这种测深仪是根据水深与水压成正比的原理制成的。 本世纪二十年代，又发明了超声波回声测深仪，由于回声测深仪具有迅速、准确、连续工作，使用简便等特点，所以各国都相继自造出各种型号的回声测深仪，安装在各种船舶上。 我国五十年代就开始生产回声测深仪，在航海上常用的型号有S1型、S2型、扬子江型、SS3型数字测深仪等。,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 1）声源 产生声波的原因是物体的振动

2、，我们把振动的物体称为声源。 声波传播并非介质的质点本身的传播，而是质点振动形成的传播。所以必须把质点的振动速度（振速）和声波在介质中的传播速度（声速）区别开来。 声能是机械能的一种形式。声波的产生必须具有声源和弹性介质两个因素。 2）声波的分类 按频率分：次声波（20z以下） 可闻声波（20z20kz） 超声波（20kz以上） 按发射方式分： 连续波、脉冲波,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 3）声波的传播速度 在空气中： C340ms；在水中： C1500ms 声速只取决于介质的物理常数，而与声源的振动频率无关。 声波在海水中的传播速度随温度、含盐量和静压力的不同而变化的，其中以温度的

3、影响最为显著。 温度增加1C ，声速平均增加量33 ms 含盐量增加1 声速平均增加量15 ms 静压力增加1107a（水深增加100米）声速平均增加量33ms 水的静压力是随着水深的增加而增大，而水温却随着水深的增加而降低。所以由于水深的变化使引起的压力增加和温度的降低，而影响声速的变化值几乎是相互抵消的。 航海上，海水中的声速一般取1500米秒。,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 4）声波在海水中传播的损耗 扩散损耗： 直接由于声能的扩散所引起的。 衰减损耗，由于吸收和散射共同作用的结果，它和电能沿导线传输所产生的损耗类似。反射、折射,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 5）声波在海

4、水中的传播干扰 混响干扰 分类： 体积混响：即散射体分布在整个海区，它是由于海水的不均匀性而造成的声散射。 海面混响：即散射体分布在海表面附近，造成了具有一定厚度的散射层。 海底混响 类似海面一样，散射体分布在海底附近，它主要是由于海底的不均匀、不平整和附集在海底附近的气泡以及靠近海底的生物层等所引起的散射。 以上三种混响在海洋中是同时存在而又无法截然分开的。但是在一定条件下，以其中的一种或两种混响为主要。,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 （5）声波在海水中的传播干扰 海洋噪声：水声中的各类噪声都是一种随机过程，现代各种水声导航仪器都十分重视对噪声的研究。 水中的噪声主要包括： 海洋自然

5、噪声 A：水动力噪声，海浪、海流、潮汐、地震、风雨等； B：海洋生物噪声，鱼群、虾群等。鲸鱼、海豚独特的嘘叫声； C：海洋中的人为噪声 D：海洋热噪声 由于海水介质热骚动所产生的噪声。 目标辐射噪声 船舶的自噪声 其特点： 接收换能器在航行中与水的撞击和摩擦； 由于海水波浪对船体的冲击。,一、回声测深原理,2、回声测深原理 回声测深的原理是基于声波在水中传播特性的理论，即利用超声波在水中等速直线传播和具有反射特性的原理来测定水深。 由于超声波较其它声波的方向性好、穿透性强、放射性显著和抗可闻声干扰性好等特点，所以回声测深仪是利用超声波进行深度测量。,二、组成及各部分的主要作用,1、回声测深仪的

6、组成 测量显示系统（display system）、发射系统（transmitting system）和接收系统（receiving system）。 1）显示器（display unit） （1）作用： 装有深度指示或记录机构，发射控制机构、控制整机工作状态的调整旋钮、开关及指示表等，内部还装有报警器和误差调节装置等。 脉冲产生器(pulse generator)以一定的时间间隔产生触发脉冲，控制计时器开始计时和控制发射系统产生具有一定功率和宽度的电脉冲，推动发射换能器工作。协调整机工作并控制发射时刻。计算、显示测量深度。 （2）显示方式： 闪光式（转盘式） 转盘转速取决于测深仪的最大量程，

7、其计算公式如下： N：转速（r/min） C：声速 1500m/s 回声测深仪深度盘上“0”点闪光的时刻，表示超声波开始发射。 记录式 IMO规定，测深仪的显示装置必须具有记录式。 数字式 指示式：将超声波往返的时间转换为电流或电压，由电流表或电压表指示。 （3）发射触发方式 机械触发式 电磁触发式 光电触发式 电子触发式,二、组成及各部分的主要作用,1、回声测深仪的组成 2）换能器 （1）作用 将发射系统输出的电振荡脉冲，转换为机械振动，并向水中发射超声波振荡脉冲，而且也能够把来自海底的反射超声波振荡脉冲转换为电振荡信号，一个可逆的声电换能器。 （2）分类 按作用分为：发射换能器(trans

8、mitting transducer)和接收换能器(receiving transducer)； 发射换能器向海底发射超声波脉冲。 按工作原理分为： 磁致伸缩换能器(magnetostrictive transducer)和电致伸缩换能器(piezoelectric transducer) （3）安装要求 具有良好的指向性（半扩散角 。1015）。 位置应在距船首1213船长处（不要小于1/5船长处）。 换能器平面力求水平，偏差不得大于1度（指南上为05）； 不能降低船体强度，并应保持良好的水密； 电缆要屏蔽，不能有接头。 换能器不应安装在排水管、海底阀或其它突出物的附近。 （4）注意事项 船

9、出坞前应检查换能器表面不得有碰伤，不得涂油漆（因为油漆对声能的吸收很大），应保持清洁； 磁致伸缩换能器初次使用或较长时间没有使用，必须对其进行充磁，否则，测深仪不能正常工作。,二、组成及各部分的主要作用,1、回声测深仪的组成 3）电源系统 作用：将船电转换为测深仪的工作电源，可采用变压器、逆变器或变流机。,二、组成及各部分的主要作用,2、回声测深仪的重要作用,三、回声测深仪的使用及注意事项,1、回声测深仪的主要技术指标 1）最大测量深度（hmax） 最大测量深度hmax(maximal detectable depth)是表示测深仪所能测得的最大深度。 最大测量深度与发射功率和脉冲重复周期（）

10、（或脉冲重复频率）有关。 以脉冲方式工作的回声测深仪，它的最大测量的时间间隔t只能是在两次发射的间隔时间T内（即tT），故应选择适当的发射间隔时间，即脉冲重复周期。 hmax750 一般为200米1000米，最大2000米 2）最小测量深度（hmin）（米） 最小测量水深hmin(minimum detectable depth)是表示测深仪可能测量并能显示出来的最小深度。 最小测量深度取决于发射脉冲宽度。 因此，最小测量深度hmin hminC/2750 一般为01米1米。 hmin/750,三、回声测深仪的使用及注意事项,1、回声测深仪的主要技术指标 3）脉冲重复频率（）（次秒） 脉冲重复

11、频率(pulse repetition frequency PRF)、脉冲重复周期(pulse repetition period PRP) 1 与测深仪的最大测量深度有关，一般为0306s。 4）脉冲宽度（）（ms） 持续发射超声波脉冲的时间称为脉冲宽度（pulse duration），它是决定最小测量深度的关键。一般取01ms13ms（毫秒）。 5）工作频率（operating frequency） 测深仪的工作频率指发射超声波的频率。超声波的工作频率一般为2060kz之间，最大可达200kz。 6）发射功率（transmitting power） 发射功率指脉冲功率。它的数值一般在几十瓦

12、至几百瓦之间。 7）消耗功率 8）换能器及换能器指向性 0称为半扩散角。半扩散角越小，波束就越尖锐，指向性越好，测深仪或声相关计程仪的0一般在10-15，而多普勒计程仪的0则为1. 5 -3。 测深仪换能器的波束一般不宜过于尖锐，否则会因为船舶摇摆而接收不到信号。,三、回声测深仪的使用及注意事项,2.影响正常测深的主要因素 1）水中气泡的影响 超声波在空气中的吸收损耗远大于在水中。因此超声波在水中传播过程中遇到气泡时，强度将受到很大削弱。另外气泡还有反射、散射能力，这也将使回波受到干扰。 船倒车（此时不宜使用测深仪因水中产生气泡影响）； 船变更航向或轻载高速航行时； 风浪较大，船舶摇摆时； 船

13、首上翘较高时； 换能器安装不理想时。 2）船舶倾斜（摇摆）的影响 当船倾斜时，发射换能器也随之倾斜，当其倾角大于发射角的二分之一时，即。/2时，就接收不到海底的回波信号。也就无法进行测深。 风浪大，船舶摇摆剧烈时将无法进行测深。 3）海底底质的影响 不同的海底底质，对超声波反射能力也不同；下列底质反射能力逐渐变差：岩石、碎石、沙底、淤泥。 4）海底地形的影响 从当进行浅水水域测深时，在记录纸上可能出现一较宽的信号带，应以回波信号带的前沿读取测量深度为宜（最浅的水深信号）。 在高低不平岩石海底的浅水中，若灵敏度很高，在测深仪的显示器上可能出现多次回波信号，应将第一次回波信号为正确回波，并以此读取

14、水深。 5）船底污物、杂草等的影响,三、回声测深仪的使用及注意事项,3.回声测深的误差 1）声速误差(acoustic velocity error) 产生原因 实际声速与设计声速不一致，使测量产生误差。 当实际声速大于设计声速时，测量水深小于实际水深。 当实际声速小于设计声速时，测量水深大于实际水深。 消除方法 一般不进行消除。要求测深精度高的回声测深仪，设置“温度补偿”、“盐分补偿”、“水深补偿”，来消除声速误差。 2）基线误差（ground line error） 产生原因 （发射和接收换能器之间的距离引起的误差） 在水深大于5米时，回声测深仪的基线误差可忽略不计。 消除方法 发射和接收

15、采用同一个换能器，或不消除。,三、回声测深仪的使用及注意事项,3.回声测深的误差 3）时间电机转速误差(speed of revolution error of timing-motor) 产生原因 时间电机转速与其额定转速不一致。 转速快（时间电机转速大于额定转速），显示水深大于实际水深； 转速慢，显示水深小于实际水深。 消除方法 如果是由于船电不稳定引起的转速不均匀，则应采用稳定的电源 如果船电是稳定的，而且时间电机的转速一直是大于或小于额定转速，那么应调节时间电机的转速为设计转速。 4）零点误差（zero point error） 产生原因 显示的发射零点标志不在水深刻度零点的位置上。

16、消除办法 调整发射零点位于水深刻度零点上。,第九章 船用计程仪,（SS ）,概述,1、发展简史 19世纪70年代，英国出现了拖曳（ye）式计程仪，它是利用水涡轮原理测速的； 19世纪末，出现了转轮式计程仪； 本世纪，出现了四代计程仪： 1）水压计程仪（20世纪初） 2）电磁计程仪（20世纪50年代） 3）多普勒计程仪（20世纪70年代） 4）声相关计程仪（20世纪70、80年代） 2、分类（按测量参考坐标系来划分） 1）相对计程仪 测量对水的速度，计风不计流 水压计程仪 电磁计程仪 2）绝对计程仪 测量对地的速度，计风计流 多普勒计程仪 声相关计程仪 说明何为计风不计流，以及何为计流计风。,一、电磁计程仪,电磁计程仪(electromagnetic log)是利用电磁感